FACULTAD DE TECNOLOGIA

LABORATORIO DE LODOS DE PERFORACIÓN YCEMENTOS PETROLEROS (LAB PGP207)

Docente: Ing. Julio Cesar Poveda Aguilar

Guía de laboratorio No 3Propiedades fisicoquímicas de los Lodos de

Perforación II (Reología)

Fecha: 2 de Mayo de 2015Fecha de defensa: 6 de Mayo de 2015Fecha de práctica: del 11/Mayo/'15 al 16/Mayo/'15Fecha de presentación de informe: 17/Mayo/2015

Universidad Mayor, Real y Pontificia de SanFrancisco Xavier de Chuquisaca

Práctica No 3Propiedades fisicoquímicas de los Lodos de Perforación II (Reología)

1. Objetivo de la práctica.-Conocer las pruebas reológicas a condiciones ambientales, realizadas en un Laboratorio de Rutina de Lodosde Perforación.

2. Objetivos particulares.-- Preparar un lodo base agua.- Medir la densidad de un WBM (Water Based Mud).- Medir el pH de un WBM.- Medir la viscosidad Marsh de un WBM.- Medir las propiedades reológicas de un WBM empleando un viscosímetro Fann VG.- Tipificar un lodo de acuerdo a su comportamiento reológico.- Ajustar datos experimentales a una correlación.

3. Fundamento Teóricoa) Reología e Hidráulica de los Fluidos de Perforación

La reología es el estudio de la manera en que la materia se deforma y fluye. Se trata de una disciplina queanaliza principalmente la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, y el impacto que estostienen sobre las características de flujo dentro de materiales tubulares y espacios anulares. La hidráulicadescribe la manera en que el flujo de fluido crea y utiliza las presiones, en los fluidos de perforación, elcomportamiento del flujo de fluidos debe ser descrito usando modelos reológicos y ecuaciones, antes de poderaplicar las ecuaciones de hidráulica. (Instituto Americano del Petróleo. 2001)La reología y la hidráulica facilitan la optimización del proceso de perforación. Estas propiedades físicascontribuyen a varios aspectos importantes para la perforación exitosa de un pozo, incluyendo: Control de las presiones para impedir el influjo de los fluidos de las formaciones. Transmitir energía a la mecha para maximizar la velocidad de penetración (ROP). Suspender los recortes durante los períodos estáticos. Permitir la separación de los sólidos perforados y el gas en la superficie. Extraer recortes del pozo.

b) ReologíaSegún el Instituto Americano del Petróleo. (2001), la reología es la ciencia que estudia la deformación y flujode la materia. Al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que dicho fluido fluirábajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte. El término reológicomás conocido es la viscosidad, en su más amplio sentido, se puede describir como la resistencia al flujo deuna sustancia. En el campo petrolífero, los términos a continuación se usan para la viscosidad y laspropiedades reológicas del fluido de perforación:

Viscosidad de embudo (seg/cuarto de galón o seg/l), Viscosidad aparente (cP o mPa∙seg), Viscosidadefectiva (cP o mPa∙seg), Viscosidad plástica (cP o mPa∙seg)

c) Términos relacionados con la Reología de los Fluidos de Perforación.Según Baroid (1997), los términos relacionados con la reología y los diseños hidráulica son:

Tabla N°.1 Términos relacionados con reología e hidráulica de perforaciónTérmino

reológico Símbolo Unidad(es) Definición

Velocidad decorte Γ Seg-1 Cambio de velocidad del fluido dividido por el ancho del

canal a través del cual el flujo se desplaza en flujo laminar.

Esfuerzo de corte Τ Lb/100pie2

Pa

La fuerza por unidad de superficie requerida para mover unfluido a una velocidad de corte dada. El esfuerzo de cortese mide en viscosímetros de campos petroleros por ladeflexión del dial del medidor a una velocidad de corte.

Viscosidad µCentipoise

(cP) óPa∙seg

Esfuerzo cortante divido por el correspondiente índice decorte, o µ= τ/γ. La viscosidad del fluido se puede medir enun punto determinado o sobre una amplia escala demediciones esfuerzo cortante/índice de corte.

Viscosidadefectiva µe

cPPa∙seg

La viscosidad usada para describir el flujo que fluye a travésde una geometría particular; al cambiar las geometrías delpozo también cambia la µe. Esta está definida por larelación del esfuerzo de corte entre la velocidad de corteµe= Esfuerzo de Corte / Velocidad de Corte

Punto cedente PCτy

Lb/100pie2

Pa

La fuerza requerida para iniciar el flujo; el valor calculadodel esfuerzo cortante del fluido cuando el reograma esextrapolado al eje de las Y en γ= 0seg-1.

Resistencias delgel

Lb/100pie2

Pa

Mediciones del esfuerzo cortante de un fluido dependientedel tiempo bajo condiciones estáticas. Las resistencias degel son medidas comúnmente después de intervalos de 10segundos, 10 minutos, y 30 minutos.

Término reológico Símbolo Unidad (es) Definición

Viscosidad plástica VP cPPa∙seg

Es la viscosidad que resulta de la fricción mecánica entresólidos, sólidos y líquidos; y líquidos y líquidos. Laviscosidad plástica está generalmente relacionada con eltamaño, forma y número de las partículas de un fluido enmovimiento. La VP se calcula usando esfuerzos cortantesmedidos a ϴ600 yϴ300 en el viscosímetro FANN 35.

Índice de flujo n Adimensional

La relación numérica entre el esfuerzo cortante y lavelocidad de corte de un fluido en un gráfico “log-log”. Estevalor describe el grado de comportamiento adelgazante porcorte de un fluido.

Índice deconsistencia K

(eq) cPPa∙segn

Lb/100pie2∙segn

La viscosidad de un fluido que fluye, de idéntico conceptoque VP.Nota: los efectos viscosos atribuidos a los efectos cortantesde un fluido

d) Tipos de FluidosUn fluido es cualquier sustancia que se deforma cuando se le somete a un esfuerzo de corte o de cizallamiento,por muy pequeño que éste sea. Según iPDVSA-CIED (2002), los fluidos se clasifican en:

i. Fluido NewtonianoLa clase más simple de fluidos es la clase de fluidos newtonianos. Los fluidos de base (agua salada, aguadulce, aceite diesel, aceites minerales y aceites sintéticos) de los fluidos de perforación son newtonianos. Enestos fluidos, el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte.

ii. Fluido No NewtonianoCuando un fluido contiene arcillas o partículas coloidales, estas partículas tienden a chocar entre sí,aumentando el esfuerzo de corte o la fuerza requerida para mantener una velocidad de corte determinada.Bajo estas circunstancias, el esfuerzo de corte no aumenta en proporción directa a la velocidad de corte. Losfluidos que se comportan de esta manera son llamados no

newtonianos.e) Modelos Reológicos

Según Baroid, (1997); al tomar ciertas medidas en un fluido, es posible determinar la manera en que fluirábajo diversas condiciones, incluyendo la temperatura, la presión y la velocidad de corte.Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. LaLey de viscosidad de Newton es el modelo reológico que describe el comportamiento de flujo de los fluidosnewtonianos. También se llama modelo newtoniano, sin embargo, como la mayoría de los fluidos deperforación son no newtonianos, este modelo no describe su comportamiento de flujo y como no existe ningúnmodelo reológico específico que pueda describir con precisión las características de flujo de todos los fluidosde perforación, se han desarrollado diversos modelos para describir el comportamiento de flujo de los fluidosno newtonianos y entre los más aplicados en la industria se pueden citar:

i. Modelo de la ley exponencialEste modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada

matemáticamente a una potencia determinada. Matemáticamente, el modelo de ley exponencial se expresacomo:

τ = Kγn

Donde:τ : esfuerzo de corte en lb/100pie2

K: índice de consistencia del fluido en cP o lb/100pie2seg-1

γ : velocidad de corte en seg-1

n : índice de comportamiento de flujo del fluidoii. Modelo de Herschel – Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada)

Debido a que la mayoría de los fluidos de perforación presentan esfuerzo cortante, el modelo de Herschel –Bulkley (punto cedente – ley de potencia modificada (MHB) describe el comportamiento reológico de los fluidosde perforación con mayor exactitud que ningún otro modelo.El modelo MHB usa la siguiente ecuación para describir el comportamiento de un fluido:

τ = τo + (K γn )Donde:τ : esfuerzo de corte medio en Lb/100pie2

τ0 : esfuerzo del punto cedente del fluido (esfuerzo de velocidad de corte cero) enLb/100pie2

K : índice de consistencia del fluido en cP o Lb/100pie2 segn

n : índice de flujo del fluidoγ : velocidad de corte en seg-1

f) Regímenes de FlujoSegún Baroid (1997); estos son conocidos como:

i. Flujo Laminarque tiene lugar entre bajas y moderadas velocidades de corte en que las capas de fluido pasan unas junto aotras en forma ordenada. La fricción entre el fluido y las paredes del canal es menor en este tipo de flujo. Losparámetros reológicos del fluido de perforación son importantes para el cálculo de las pérdidas de presión porfricción en fluidos de perforación de flujo laminar.

ii. Flujo TurbulentoProducido por altas velocidades de flujo con altos índices de cizallamiento, cuando un fluido se mueve enforma caótica. En flujo turbulento las partículas son arrastradas al azar y remolinos de corriente. La fricciónentre el fluido y las paredes del canal es mayor en este tipo de flujo y los parámetros reológicos no tienen graninfluencia en los cálculos de las pérdidas de presión friccional.

iii. Flujo TransicionalCuando el flujo cambia de laminar a turbulento o viceversa, donde la velocidad particular a la cual el flujocambia de un régimen a otro se denomina velocidad crítica.

g) Parámetros considerados para los cálculos de Hidráulica de PerforaciónLas velocidades y caídas de presión encontradas durante la circulación del fluido de perforación por el

interior de la sarta y el espacio anular son de gran importancia en las operaciones de perforación, por lo cual

es necesario tomar en consideración algunos parámetros para los cálculos en la hidráulica de los fluidos talescomo el número de Reynolds, factor de fricción y viscosidad efectiva del fluido.Las ecuaciones hidráulicas han sido desarrolladas usando básicamente el modelo de Herschel-Bulckley ysus soluciones se pueden obtener usando programas computarizados, debido a que este modelo predicemejor el comportamiento reológico de fluidos de perforación a bajas velocidades de corte, resultan valoresmás exactos de caídas de presión en flujo laminar, densidades equivalentes de circulación, entre otros; conla finalidad de obtener información sobre bombas y circulación, hidráulica de barrenas, limpieza del pozo,regímenes de flujo, etc. (Baroid. 1997).

h) Términos usados en los cálculos de Hidráulica de FluidosSegún (1), para predecir el comportamiento de los fluidos de perforación que circulan a través de las tuberíasy espacios anulares se usan ecuaciones matemáticas. Las velocidades y caídas de presiones encontradasdurante la circulación son de particular importancia para las operaciones de perforación.Existen varios términos importantes usados en cálculos de hidráulica los cuales se definen a continuación:

Número de Reynolds (NRe): un término numérico adimensional decide si un fluido circulante estará en flujolaminar o turbulento. A menudo un número de Reynolds mayor de 2100 marcará el comienzo de flujoturbulento, pero no siempre es así. Número crítico de Reynolds (NRec): este valor corresponde al número de Reynolds al cual el flujolaminar se convierte en flujo turbulento. Factor de fricción (f): este término adimensional es definido para fluidos de la ley de la potencia en flujoturbulento y relaciona el número de fluido de Reynolds con un factor de “aspereza” de la tubería. En la siguientefigura se muestra la relación entre el número de Reynolds y el factor de fricción para flujo laminar (Nre ˂ 2100),y de diversos valores de n para fluidos en flujo turbulento (NRe ˃ 2100). Caídas de presión (∆p/∆L): cuando los fluidos circulan a través de un tubo o espacio anular sedesarrollan fuerzas de fricción. Como resultado, se disipa energía del fluido. Estas fuerzas friccionales seconocen como caídas de presión, y comúnmente se designan en forma de presión por longitud unitaria.Cuanto más largo sea un tubo o espacio anular, tanto mayor será la caída presión. Los factores que puedenafectar la magnitud de la caída de presión incluyen: longitud, índice de flujo (régimen de flujo de tipo laminaro turbulento), propiedades reológicas del fluido, excentricidad del tubo, geometría del tubo/espacio anular,aspereza del tubo, etc.

4. Métodos experimentales.-i) Preparación de un lodo Base Agua1. Tarar un recipiente (de preferencia una probeta de vidrio por la precisión del volumen medido).2. Pesar la cantidad de Bentonita de acuerdo al cálculo realizado (trabaje con la densidad indicada).3. Enrasar con agua hasta un poco menos del nivel del volumen deseado.4. Agitar bien.5. Enrasar con una pipeta hasta el volumen exacto.j) Determinación de la densidad experimental

En esta prueban puede emplear una balanza de lodo o emplear una probeta tarada previamente y una balanzanormal.Datos experimentales:Masa de lodo=................................gr Volumen de Lodo=...............................ccDensidad del Lodo =.......................gr/cc

k) Determinación del pHEmplear un medidor electrónico de pH. Tenga el cuidado de lavar el electrodo después de la medición ysumergirlo en su solución estabilizadora.Dato experimental:

pH=....................l) Medición de la viscosidad Marsh de un WBM

Armar el embudo Marsh en el soporte universal de la manera más perpendicular posible al mesón.

Tapar el Embudo con el tamiz.(Reproducido del Manual API Instituto Americano del Petróleo, Dallas, Texas, 2002 / N° de Revisión: A-1 /Fecha de Revisión: 14-02-01) (2 pág. 3.4)

iv. DescripciónEl viscosímetro de Marsh, tiene un diámetro de 6 pulgadas en la parte superior y una longitud de 12 pulgadas.En la parte inferior, un tubo de orificio liso de 2 pulgadas de largo, con un diámetro interior de 3/16 pulgada,está acoplado de tal manera que no hay ninguna constricción en la unión. Una malla de tela metálica conorificios de 1/16 de pulgada,cubriendo la mitad del embudo, está fijada a 3/4 de pulgada debajo de la parte superior del embudo.

v. CalibraciónLlenar el embudo hasta la parte inferior de la malla (1.500 ml) con agua dulce a 70±5°F. . El tiempo requeridopara descargar 1 qt (946 ml) debería ser 26 seg. ±0,5 sec.

vi. Procedimiento1. Manteniendo el embudo en posición vertical, tapar el orificio con un dedo y verter la muestra de lodo reciénobtenida a través de la malla dentro de un embudo limpio, hasta que el nivel del fluido llegue a la parte inferiorde la malla (1.500 ml).2. Retirar inmediatamente el dedo del orificio y medir el tiempo requerido para que el lodo llene el vaso receptorhasta el nivel de 1-qt indicado en el vaso.3. Ajustar el resultado al segundo entero más próximo como indicación de viscosidad Marsh. Registrar latemperatura del fluido en grados Fahrenheit o Celsius.

vii. Datos experimentales:Volumen de Lodo empleado =...............................ccVolumen de Lodo desplazado =........1000...................ccTiempo =............................ s/LtTemperatura =................................ °C

Repita la experiencia con el embudo API pero esta vez use las unidades de campo (s/qt). Luego, realicela misma experiencia con el embudo de construcción local (s/Lt).Trabaje densificando o diluyendo el lodo, según la indicación de su docente. Con todos estos datos,luego, comprobar la validez de la formula de Einstein por regresión lineal:

µ = µo (1+k Cs)Cs es la concentración de sólidos en el lodo y se puede calcular a partir de su densidad.

m) Medición de la viscosidad de un WBM con un VISCOSÍMETRO ROTATIVO(Reproducido del Manual API Instituto Americano del Petróleo, Dallas, Texas, 2002 / N° de Revisión: A-1 /Fecha de Revisión: 14-02-01) (2 págs. 3.5-3.6)

i. DescripciónLos viscosímetros de indicación directa son instrumentos de tipo rotativo accionados por un motor eléctrico ouna manivela. El fluido de perforación está contenido dentro del espacio anular entre dos cilindrosconcéntricos. El cilindro exterior o manguito de rotor es accionado a una velocidad rotacional (RPM –revoluciones por minuto) constante. La rotación del manguito de rotor en el fluido impone un torque sobre elbalancín o cilindro interior. Un resorte de torsión limita el movimiento del balancín y su desplazamiento esindicado por un cuadrante acoplado al balancín. Las constantes del instrumento han sido ajustadas de maneraque se pueda obtener la viscosidad plástica y el punto cedente usando las indicaciones derivadas de lasvelocidades del manguito de rotor de 600 y 300 RPM.Se usa la velocidad de 3 RPM para determinar el esfuerzo de gel.

ii. PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD APARENTE, LA VISCOSIDAD PLÁSTICA Y ELPUNTO CEDENTE

1. Colocar la muestra recién agitada dentro de un vaso térmico y ajustar la superficie del lodo al nivel de lalínea trazada en el manguito de rotor. 2. Calentar o enfriar la muestra hasta 120ºF (49ºC). Agitar lentamentemientras se ajusta la temperatura. 3. Arrancar el motor colocando el conmutador en la posición de altavelocidad, con la palanca de cambio de velocidad en la posición más baja. Esperar que el cuadrante indiqueun valor constante y registrar la indicación obtenida a 600 RPM. Cambiar las velocidades solamente cuandoel motor está en marcha. 4. Ajustar el conmutador a la velocidad de 300 RPM. Esperar que el cuadranteindique un valor constante y registrar el valor indicado para 300 RPM. 5. Viscosidad plástica en centipoise =indicación a 600 RPM menos indicación a 300 RPM (ver la Figura 4). 6. Punto Cedente en lb/100 pies2 =indicación a 300 RPM menos viscosidad plástica en centipoise. 7. Viscosidad aparente en centipoise =indicación a 600 RPM dividida por 2.

iii. PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ESFUERZO DE GEL1. Agitar la muestra a 600 RPM durante aproximadamente 15 segundos y levantar lentamente el mecanismode cambio de velocidad hasta la posición neutra. 2. Apagar el motor y esperar 10 segundos. 3. Poner elconmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima en lb/100 pies2como esfuerzo de gel inicial. Si el indicador del cuadrante no vuelve a ponerse a cero con el motor apagado,no se debe reposicionar el conmutador. 4. Repetir las etapas 1 y 2, pero dejar un tiempo de 10 minutos y luegoponer el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión máxima comoesfuerzo de gel a 10 minutos. Indicar la temperatura medida. Mantenimiento del Instrumento Limpiar elinstrumento operándolo a gran velocidad con el manguito de rotor sumergido en agua u otro solvente. Retirarel manguito de rotor torciendo ligeramente para soltar la clavija de cierre. Limpiar minuciosamente el balancíny las otras piezas con un trapo limpio y seco o una servilleta de papel. CUIDADO: El balancín es hueco ypuede quitarse para ser limpiado. A veces, la humedad puede acumularse dentro del balancín y debería sereliminada con un limpiador para tubos. La inmersión del balancín hueco en lodo extremadamente caliente(>200ºF) podría causar una explosión muy peligrosa. OBSERVACIÓN: Nunca sumergir el instrumento enagua.

En la práctica, se realizará la lectura del cuadrante a todas las velocidades angulares posibles.- Medir la viscosidad de un WBM empleando un viscosímetro Fann.- Tipificar un lodo de acuerdo a su comportamiento reológico.- Ajustar los datos experimentales a una correlación.

iv. Datos experimentales:Volumen de Lodo empleado =...............................ccTemperatura =................................ °C (No se acondicionará la temperatura, se realizará la experiencia

a temperatura ambiente)Ω (RPM) Θ (cp)600300

Repita estas mediciones con el viscosímetro manual (una vuelta de la manija produce 12 vueltas del rotor), yel Reómetro computarizado.Luego, tipifique el comportamiento reológico de su lodo, de acuerdo a los modelos (Newtoniano, plástico deBingham, Ley de la Potencia, Hershley Bulkley.)

Al terminar las pruebas, debe realizar su reporte en grupos de dos (2) personas y responder mínimamente alas siguientes preguntas como orientación en las conclusiones (pueden surgir otras interrogantes también):- ¿Cual es la relación funcional entre densidad y viscosidad del lodo?-¿Cuanto error producen las medidas realizadas en el embudo Marsh de fabricación local?- Analice y compare los viscosímetros manual y eléctrico.- ¿Se cumple la ecuación de Einstein? explicar en base a R y R2

- ¿Existe una diferencia significativa entre los dispositivos de medición empleados en las mediciones?Respalde este criterio con las pruebas estadísticas respectivas.

Contenido1. Objetivo de la práctica.- .............................................................................................. 22. Objetivos particulares.- ............................................................................................... 23. Fundamento Teórico................................................................................................... 2

a) Reología e Hidráulica de los Fluidos de Perforación ............................................... 2b) Reología.................................................................................................................. 2c) Términos relacionados con la Reología de los Fluidos de Perforación. ................... 2d) Tipos de Fluidos...................................................................................................... 3

e) Modelos Reológicos................................................................................................ 4f) Regímenes de Flujo ................................................................................................ 4g) Parámetros considerados para los cálculos de Hidráulica de Perforación............... 4h) Términos usados en los cálculos de Hidráulica de Fluidos...................................... 5

4. Métodos experimentales.-........................................................................................... 5i) Preparación de un lodo Base Agua ......................................................................... 5j) Determinación de la densidad experimental ............................................................ 5k) Determinación del pH.............................................................................................. 5l) Medición de la viscosidad Marsh de un WBM ......................................................... 5m) Medición de la viscosidad de un WBM con un VISCOSÍMETRO ROTATIVO ...... 6

Contenido.............................................................................................................................. 7Bibliografía ............................................................................................................................ 8

Bibliografía1. BAROID. MANUAL DE FLUIDOS. Houston, USA : s.n., 1997.2. American Petroleum Institute. Manual de Fluidos de Perforación. [trad.] Instituto Americano del Petróleo.Dallas : Instituto Americano del Petróleo, 2002.